高 翔 陳 洋 周厚強(qiáng)

（1.電能（北京）產(chǎn)品認(rèn)證中心有限公司，北京 100011；2.江蘇亨通高壓電纜有限公司，江蘇 常熟 215513）

我國是一個(gè)海洋大國，擁有1.8萬km長的海岸線，6000多個(gè)大小島嶼散布在海岸的外緣。海底電纜是沿海島嶼與城市之間電力與通信的重要傳輸手段。2009年6月，海南至湛江的聯(lián)網(wǎng)工程，采用了總長度近 140km（4×34.7km）500kV/800mm2的海底電纜。該項(xiàng)工程標(biāo)志著大長度大截面超高壓海底電纜已在我國得以實(shí)際運(yùn)用。為同時(shí)滿足電力及音頻和視頻信號傳輸?shù)男枨?，光電?fù)合海底電纜也應(yīng)運(yùn)而生。

本文針對大長度高壓及超高壓光電復(fù)合海底電纜在設(shè)計(jì)開發(fā)中的幾個(gè)問題，簡述了在導(dǎo)體阻水等方面的設(shè)計(jì)思路和基本方法。

1 導(dǎo)體阻水的研究

在導(dǎo)體設(shè)計(jì)時(shí)除導(dǎo)電性能之外在海底電纜中最重要的就是導(dǎo)體的阻水性能了，一般都需要模擬海纜敷設(shè)的水深在受外力破壞情況下導(dǎo)體中水的傳播距離是有嚴(yán)格要求的，國際大電網(wǎng)會議推薦的技術(shù)規(guī)范，海纜的導(dǎo)體阻水試驗(yàn)?zāi)M電纜水深最深區(qū)段電纜故障情況，試樣浸入對應(yīng)敷設(shè)水深的壓力的水中，一般至少試驗(yàn)持續(xù)10天，水溫等于環(huán)境溫度20℃±15℃，對導(dǎo)體切開處作目測檢驗(yàn)，在這些聲明的部位導(dǎo)體應(yīng)無水。經(jīng)過幾次分析研討以及根據(jù)掌握的國際上的情況，海纜導(dǎo)體的設(shè)計(jì)采用圓形緊壓的方式比較普遍。

由于電纜電壓等級高，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電纜截面大，因而給導(dǎo)體阻水帶來相當(dāng)大的困難，主要原因就是組成導(dǎo)體的單線太粗，絞合緊壓后導(dǎo)體單線之間仍然有很大空隙，阻水效果很難理想。由此可知，多盤數(shù)的框絞機(jī)（至少91盤）是導(dǎo)體絞制的必要條件，這樣就能有效減小單線直徑，減小單線間的空隙，在阻水材料填充后就能達(dá)到良好的阻水效果。為了設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，建議導(dǎo)體采用同心式正規(guī)絞合緊壓結(jié)構(gòu)，每層導(dǎo)體絞制時(shí)加入阻水繩一并絞合。若采用帶材，最好能采用繞包型，這樣就可在導(dǎo)體周圍形成環(huán)狀阻水結(jié)構(gòu)，能充分達(dá)到阻水的目的。當(dāng)然不否認(rèn)，若采用縱包結(jié)構(gòu)，重疊搭蓋效果好也能達(dá)到相同的目的。

2 電纜接地的研究

高壓電力電纜的屏蔽和鎧裝一般都需要接地，電力安全規(guī)程規(guī)定：35kV及以下電壓等級的電纜都采用兩端接地方式，這是因?yàn)檫@類電纜大多數(shù)是三芯電纜，在正常運(yùn)行中，流過三個(gè)線芯的電流總和為零，在金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，這樣，在金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應(yīng)電壓，所以兩端接地后不會有感應(yīng)電流流過金屬屏蔽層。但是當(dāng)電壓超過 35kV時(shí)，大多數(shù)采用單芯電纜，單芯電纜的線芯與金屬屏蔽的關(guān)系，可看作一個(gè)變壓器的初級繞組。當(dāng)單芯電纜線芯通過電流時(shí)就會有磁力線交鏈金屬屏蔽層，使它的兩端出現(xiàn)感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小與高壓電纜線路的長度和流過導(dǎo)體的電流成正比，高壓電纜很長時(shí)，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達(dá)到危及人身安全的程度，在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時(shí)，屏蔽上會形成很高的感應(yīng)電壓，甚至可能擊穿護(hù)套絕緣。據(jù)此，高壓電纜線路安裝時(shí)，應(yīng)該按照GB50217-1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求，單芯電纜線路的金屬護(hù)套只有一點(diǎn)接地時(shí)，金屬護(hù)套任一點(diǎn)的感應(yīng)電壓不應(yīng)超過50～100V（未采取不能任意接觸金屬護(hù)套的安全措施時(shí)不大于50V；如采取了有效措施時(shí)，不得大于100V），并應(yīng)對地絕緣。如果大于此規(guī)定電壓時(shí)，應(yīng)采取金屬護(hù)套分段絕緣或絕緣后連接成交叉互聯(lián)的接線。為了減小單芯電纜線路對鄰近輔助電纜及通信電纜的感應(yīng)電壓，應(yīng)盡量采用交叉互聯(lián)接線。對于高壓電纜長度不長的情況下，可采用單點(diǎn)接地的方式。為保護(hù)高壓電纜護(hù)層絕緣，在不接地的一端應(yīng)加裝護(hù)層保護(hù)器。

對于大長度高壓及超高壓光電復(fù)合海底電纜，以上辦法都難以達(dá)到目的。因?yàn)殚L度長，電纜感應(yīng)電勢將達(dá)到一個(gè)很大的值，使得電纜金屬護(hù)層發(fā)熱，從而很大程度上影響了電纜的輸電功率。為了有效的消除電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電勢，我們不妨假定電纜能采用合理的途徑進(jìn)行多點(diǎn)接地。但我們知道，電纜金屬徑向防水層外都要采用防腐層結(jié)構(gòu)，從而使電纜無法接地。因此，很多電纜專家為此傷透了腦筋，而目前國內(nèi)有相關(guān)企業(yè)通過工藝創(chuàng)新，已基本上解決了這一難題。

3 光纜復(fù)合的研究

光纜單元在光電復(fù)合海底電纜結(jié)構(gòu)中是最薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮光纜單元的光學(xué)性能，而且更多地要考慮光纜單元的機(jī)械性能。從理論上看，光纜單元的放置地方只能是在電纜的護(hù)層內(nèi)，為了防止粗鋼絲對光纜單元的損壞，必須要保證鋼絲鎧裝層的作用力不直接施加到光纜單元上，因此，光纜單元要加強(qiáng)防護(hù)，經(jīng)過研究探討，我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將光纖很好地放置在鋼絲層內(nèi)，使光纖得到有效地保護(hù)。

4 鎧裝層的研究

對于單芯電纜，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在交流系統(tǒng)場合，鎧裝層要采用非磁性材料，而使用于海底的鎧裝層不僅要有一定的防腐性能，而且要有足夠的抗拉強(qiáng)度，因而鋁絲鎧裝并不適合，在此，仍然建議采用不銹鋼絲進(jìn)行鎧裝；在實(shí)際應(yīng)用場合，考慮到成本問題，很多用戶選用普通的鍍鋅鋼絲再加隔磁結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際載流能力的需要，可以酌情選用。

5 大長度光電復(fù)合海底電纜生產(chǎn)裝備的研究

對于高壓及超高壓大長度的光電復(fù)合海底電纜的生產(chǎn)，最難實(shí)現(xiàn)的就是保證整根無接頭交貨。在目前競爭比較激烈的情況下，哪家企業(yè)生產(chǎn)的長度長，就可以占據(jù)先機(jī)，能迅速搶占市場。因此，眾多海底電纜生產(chǎn)企業(yè)都在探討實(shí)現(xiàn)大長度的方案，并且部分企業(yè)已經(jīng)開始著手實(shí)施。大家都知道，要實(shí)現(xiàn)大長度無接頭最大的困難就是電纜噸位大、長度長，中間制造環(huán)節(jié)周轉(zhuǎn)無法實(shí)現(xiàn)。比如，110kV 1×500的海底電纜，就算是用5m的電纜盤，最大長度也做不到6000m，而對于十幾公里甚至更長的電纜就只能考慮工廠接頭的方案了（目前，國內(nèi)海纜接頭技術(shù)已經(jīng)成熟）。

大長度光電復(fù)合海底電纜生產(chǎn)裝備的研究應(yīng)圍繞解決各生產(chǎn)工序收、放線設(shè)備能力及半制品周轉(zhuǎn)靈便等海纜生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)存具體問題進(jìn)行。實(shí)際上，受廠房及其他條件制約，現(xiàn)有海纜生產(chǎn)企業(yè)難以解決更大長度光電復(fù)合海底電纜生產(chǎn)的瓶頸問題。新（待）建海纜生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行廠房等的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合設(shè)備產(chǎn)能及其將來可能改造、提升的產(chǎn)能確定好廠房高度、內(nèi)部物流通道等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)更大長度光電復(fù)合海底電纜的目標(biāo)。

6 電纜試驗(yàn)的研究

由于大長度海底電纜不同于普通電纜盤裝運(yùn)的電纜，不便于移動(dòng)運(yùn)輸，因此要求電纜試驗(yàn)的電源系統(tǒng)重量輕，可以運(yùn)輸?shù)诫娎|存放現(xiàn)場。建議采用輸出電壓不低于320kV，頻率范圍30～300Hz的串聯(lián)諧振電源系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)目前被廣泛開發(fā)利用。然而，由于電纜長度超長，電纜試驗(yàn)設(shè)備的容量難以達(dá)到電纜局部放電試驗(yàn)的要求，一般可以采用在原電纜成品上進(jìn)行取樣來測量電纜的局部放電量作為電纜電性能的指標(biāo)依據(jù)。

7 電纜搶修接頭的研究

任何海底電纜在敷設(shè)和運(yùn)行時(shí)，都難以保證電纜不被意外損壞，甚至被拉斷，于是電纜及時(shí)搶修工作猶為重要。推薦一種110kV光電復(fù)合海纜搶修接頭的方案（見圖1）。

圖1 110kV光電復(fù)合海纜搶修接頭示意圖

本方案采用的是電纜和光纜接頭分開進(jìn)行的方式，并采用了防水措施，接頭后體積小，操作方便，有效地解決了光電復(fù)合電纜的搶修困難、修理不便的難點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

8 結(jié)論

以上僅僅對電纜設(shè)計(jì)方面遇到的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了簡要的闡述，很多方面還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。在此，希望能和從事電纜設(shè)計(jì)工作的各界專家進(jìn)行更多交流，將大長度高壓及超高壓光電復(fù)合海底電纜的理論設(shè)計(jì)和實(shí)踐有效結(jié)合起來，使國內(nèi)的海底電纜從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面提升到一個(gè)新的臺階。

[1] Recommendations for Testing of Long AC Submarine Cables with Extruded Insulation for System Voltage above 30(36) to 150(170)kV Cigre-21-02-Electra-189-Aprl 2000.

[2] Recommendations for Mechanical Tests on Submarine Cables Electra NO.171.1997-CIGRE.

[3] 電力電纜及電線.PRIELLI公司編制.

[4] 周厚強(qiáng),葉信宏.中高壓光電復(fù)合海底電纜中光纜設(shè)計(jì)及其他用途.第七屆光通信論壇論文集.2007.

[5] 徐紹軍,黃鶴鳴,李華春.單芯高壓電纜金屬護(hù)套環(huán)流異常分析及對策[J].供用電,2008,25(1).

[6] Development of Optical Fiber Composite Submarine Cables K.FUJH etc,Cigre.